2. 流水灯小计

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流水灯里面注意的问题

在学习单片机时我们刚开始都是通过点亮一个LED灯来给我们自己一个真实的直观的认识，因此在建立的第一个FPGA工程的时候，我们也使用了一个点亮LED的范例，这里我们将讨论在FPGA中如何实现点亮LED这一话题。 
1、程序编写 
　　一般FPGA的核心电平是1.2V，管脚电平是3.3V，所以，要想点亮哪个LED，只要给连接的那个管脚赋0，不点亮赋1就可以了（注意此处对管脚赋0或1取决于硬件电路的设计，一般来讲如果LED的负极挂接在FPGA的IO口上时则赋0点亮，反之赋1点亮）。 
点亮四个LED的程序我们是这样写的： 

 1 module led ( 
 2 clk,rst_n, 
 3 led 
 4 ); 
 5 
 6 input clk; 
 7 input rst_n; 
 8 output[3:0] led; 
 9 reg[3:0] led_r; 
10 
11 always @(posedge clk , negedge rst_n) 
12 begin 
13 if(!rst_n) 
14 led_r <= 4‘b1111; 
15 else 
16 led_r <= 4‘b0; // led是一端接上拉电阻，输入低电平点亮 
17 end 
18 assign led = led_r; 
19 endmodule 

2、程序简介 
　　这里我就讲点Verilog的经验之谈，有不妥的地方还请大家多指正。关于Verilog语法，还请大家找本书系统地学习下，这里无法一点一点细讲，要细讲的话书上是最合适的。推荐两本书，一本是夏宇闻老师的《Verilog 数字系统设计教程》 ，另外一本《设计与验证Verilog HDL》也很不错。 
Verilog的一个程序模块，是以module 和 endmodule 开头和结尾的。跟在module后面的是这个模块的模块名。模块名后面的括号里列出了这个模块的输入输出管脚列表。再接下来我们要对这些管脚是输入input 还是输出 output 以及是多少位进行描述。再接下来差不多就是程序的正文了。 
我们知道，数字电路就分为两种：组合逻辑电路和时序逻辑电路。其实我们写的FPGA程序它不叫程序，它一般叫做硬件描述语言，（这里我也是图方便混着叫了，嘿嘿）。说这个呢，想表达这么个意思：我们写了FPGA程序，然后Quartus/ISE帮我们综合到FPGA芯片中，在FPGA内部就是生成两种数字电路，组合逻辑电路和时序逻辑电路。 
　　所以，我们写程序，也就两种逻辑电路的描述。凡是clock信号有关系的就是时序逻辑，跟clock没什么关系的就是组合逻辑（这是我妄自断言，还没有出处，有问题的话请拍砖）。这就引出了wire数据型和reg数据型的问题，还有阻塞赋值和非阻塞赋值。这些概念大家一定要在书里仔细阅读。 
学习Verilog并不难，花个一天时间看下书，弄个程序写一下基本就会了。对于以前一直从事c语言，c++软件开发的同学，首先得理解这样的问题。我们所写的Verilog程序，并非软件程序，它是用来描述硬件电路的代码: 
3、 换个玩法 
　　四个LED亮着是不是没什么好玩的呢？我们可不可以这样的，让四个灯轮流亮起来，就是第一个灯亮了之后熄灭，然后第二个亮再熄灭，接着第三个，第四个。这个流水灯，或者叫跑马灯，大家在做单片机实验的时候估计都做过吧。这里我们只要做一个移位寄存器就可以了。我们修改下面这段程序 

1 reg[3:0] led_r; 
2 always @(posedge clk,negedge rst_n) 
3 begin 
4 if(!rst_n) 
5 led_r <= 4‘b0111; 
6 else 
7 led_r <= {led_r[0],led_r[3:1]}; 
8 end 

{}是Verilog里的拼接运算符，这句{led_r[0],led_r[3:1]}的意思就是把上次led_r的第0位移到最高位，然后高3位往右移。也就是说，最初，我们给四个led的赋值是0111，那只有最高位的那个led灯是点亮的。第一次移位后变成1011，那就只有第二个是亮的；接着1101，第三个；1110，第四个；然后又变成第一个0111。 

4、点灯进阶 
　　按原理分析，我们应该是实现了流水灯这个功能了。下载到板子上看看效果吧。结果估计另大家都失望了，怎么回事？四个LED灯都还亮着。聪明的同学估计找到原因了，但我还想买个关子，我们先做下面的实验。 

 1 module led ( 
 2 clk,rst_n, 
 3 led 
 4 ); 
 5 
 6 input clk; 
 7 input rst_n; 
 8 output[3:0] led; 
 9 reg[19:0] cnt; 
10 
11 always @(posedge clk , negedge rst_n) 
12 begin 
13 if(!rst_n) 
14 cnt <= 20‘b0; 
15 else 
16 cnt <= cnt + 1‘b1; 
17 end 
18 reg enable_r; 
19 always @(posedge clk , negedge rst_n) 
20 begin 
21 if(!rst_n) 
22 enable_r <= 1‘b0; 
23 else if (cnt == 20‘hfffff) 
24 enable_r <= 1‘b1; 
25 else 
26 enable_r <= 1‘b0; 
27 end 
28 
29 wire enable; 
30 assign enable = enable_r; 
31 
32 reg[3:0] led_r; 
33 always @(posedge clk , negedge rst_n) 
34 begin 
35 if(!rst_n) 
36 led_r <= 4‘b1; 
37 else if(enable) 
38 led_r <= {led_r[0],led_r[3:1]}; 
39 else ; 
40 end 
41 
42 wire[3:0] led; 
43 assign led = led_r; 
44 endmodule 

我又写了上面这段程序，程序中我增加了一个计数器cnt。开始，计数器是20位的，每个系统时钟的上升沿 posedge clk 执行一次计数器 +1 操作 cnt <= cnt + 1‘b1 。 在计数器计数到满的时候，我定义了一个enable信号 else if (cnt == 20‘hfffff) enable_r <= 1‘b1;而其他时候，我都让这个 enable 信号维持低电平。（这里加一句，计数器到满的时候 cnt = 20‘hfffff再 + 1 它就溢出了，回到20’h0）。 

1 reg[3:0] led_r; 
2 always @(posedge clk or negedge rst_n) 
3 begin 
4 if(!rst_n) 
5 led_r <= 4‘b1; 
6 else if(enable) 
7 led_r <= {led_r[0],led_r[3:1]}; 
8 else ; 
9 end 

然后我们再看这段程序，我让它只有在 enable == 1’b1 的时候进行移位。大家把这段程序下载到板子上，有什么现象？四个led在闪动。 
5、答疑解惑 
　　好了，这个关子就卖到这里了。问题出在我们的眼睛骗了我们。百度一下，知道一个数据：人眼分辨事物的最高频率为24HZ,即反应一次要0.042s 。我们最初的移位是用的系统时钟clk，它是50MHZ，也就是说灯的每盏灯的亮灭是按50M的速度在移动，眼睛当然是完全看不出来啦，所以效果跟四个灯全亮是一样的。 
后面我们用了一个计数器，使移位变成了2的20次方个CLK时间，即频率变成了50M/1048576 ，约等于50 HZ，这时我们的眼睛还是分辨不了，所以我们看到四个灯都在闪烁。 
　　接下来，我们再把计数增大一点，把移位的频率降下来，就能看到流水灯的现象了。 
这是个有趣的现象，相同原理的实验我在本科的时候做过，那时候也没太在意。最近发现安装在山地车轮胎上的“风火轮”也是用的这个原理哦！ 
6、总结 
　　这一篇我们讲了LED点亮的原理，以及计数器的设计，还有流水灯的设计。好玩吧！有兴趣的欢迎加入一起学习！

2. 流水灯小计

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